KR102075396B1

KR102075396B1 - 연약지반 처리용 지반 고화재의 제조방법

Info

Publication number: KR102075396B1
Application number: KR1020180060746A
Authority: KR
Inventors: 문경주; 안양진; 서세관; 임양현
Original assignee: 주식회사 지안산업
Priority date: 2018-05-28
Filing date: 2018-05-28
Publication date: 2020-02-11
Also published as: KR20190135366A

Abstract

본 발명은 연약지반 처리용 지반 고화재의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 표면에 수분이 존재하고 강산성이어서 활용성이 미흡한 인산석고에 강알칼리성이면서 수분 흡수가 가능한 노내 탈황방식 순환 유동층 보일러에서 배출되는 고칼슘 연소재를 혼합, 분쇄하여 별도의 건조 및 하소 과정 없이 분말형 혼합석고를 제조한 후 이를 고로슬래그 미분말의 알칼리 및 황산염 복합 자극제로서 활용하여 강도 발현이 가능한 연약지반 처리용 지반 고화재의 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명에 의한 연약지반 처리용 지반 고화재의 제조방법은 1) pH 10 이상이며 표면에 수분이 3% 이하인 혼합석고를 얻는 단계; 및 2) 상기 혼합석고 100중량부에 대하여 고로슬래그 미분말 5∼1,000 중량부를 혼합하는 단계;를 포함하며, 상기 혼합석고는 pH 4 이하이며 표면에 수분이 3∼30% 함유된 인산석고 100중량부에 대하여, pH 11.5 이상이며 CaO 성분이 30∼75중량%, SO₃ 성분이 7∼35중량% 함유된 노내 탈황방식 순환 유동층 보일러 연소재 5∼1,000중량부를 혼합하고 분쇄하여 얻어지는 것을 특징으로 한다.

Description

연약지반 처리용 지반 고화재의 제조방법{SOLIDIFIED AGENT MENUFACTURING METHODE FOR POOR GROUND}

본 발명은 연약지반 처리용 지반 고화재의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 표면에 수분이 존재하고 강산성이어서 활용성이 미흡한 인산석고에 강알칼리성이면서 수분 흡수가 가능한 노내 탈황방식 순환 유동층 보일러에서 배출되는 고칼슘 연소재를 혼합, 분쇄하여 별도의 건조 및 하소 과정 없이 분말형 혼합석고를 제조한 후 이를 고로슬래그 미분말의 알칼리 및 황산염 복합 자극제로서 활용하여 강도 발현이 가능한 연약지반 처리용 지반 고화재의 제조 방법에 관한 것이다.

인산석고는 인광석과 황산을 이용해 인산 제조시 부산되는 석고로 원료인 인광석에 황산을 처리하는 습식공정에서 발생한다. 국내에는 현재 약 2,000만톤 이상의 양이 적치되어 있으며 강산성 물질이고 표면에 수분을 다량 함유하고 있어 재활용이 매우 미흡한 실정이다.

한편, 순환 유동층 보일러의 탈황공정은 연소실 내에 석회석을 주입하여 연료와 함께 연소시켜 연소가스 중의 인산화황과 석회석이 로내에서 반응하여 연소가스 중의 황은 제거되고 무수석고가 생성되며, 황과 반응하지 않은 석회석은 탈탄산되어 생석회 성분으로 전이되어 배출된다. 일반적으로 화력발전소 미분탄 보일러에서 발생되는 석탄재는 연소온도가 1,500℃ 이상에서 배출되어 유리질 성분으로 SiO₂가 주성분이며 포졸란 성질이 있어 국내에서 발생되는 대부분이 레미콘 혼화재로 재활용되고 있다.

그러나, 노내 탈황방식 순환 유동층 보일러에서 배출되는 연소재는 약 850℃의 온도에서 연소되어 유리질 성분이 없기 때문에 포졸란 반응을 일으킬 수도 없을 뿐만 아니라 콘크리트에 혼입될 시 다량의 수분을 흡수하고 발열이 발생하게 되어 레미콘에 재활용이 매우 미흡한 실정이다.

하지만, 순환 유동층 보일러에서 배출되는 연소재는 높은 pH가 높은 강알칼리성을 가지고 있어 강산성인 인산석고를 중화시킬 수 있고 다량의 수분을 흡수하는 성질은 인산석고와 혼합 시 별도의 건조 과정 없이도 분쇄 과정을 통해 미립자의 분체 상태로 제조가 가능하다.

더욱이 이렇게 제조된 혼합석고는 CaO 및 CaSO₄ 성분이 높게 함유되어 있어 고로수쇄 슬래그 미분말의 자극제로서 탁월한 조성을 가지고 있다고 할 수 있다.

한편, 토목 및 건축 구조물의 사용 중 터널공사 및 증축이나 리모델링, 용도변경, 하중증가 등으로 인해 차수 및 지반 보강이 필요한 경우가 자주 발생하게 된다.

이러한 문제들이 예상되는 지반을 개량하여 어떠한 목적물을 건설하는데 있어 차수 및 보강 등의 안전상의 문제점을 제거하기 위한 수단으로 연약지반 개량공법으로 그라우팅 공법이 이용된다.

그라우팅 시공시 약액 주입공법이란 연약지반 속에 시멘트 액과 같은 주입재를 펌프의 압력으로 주입하여 지반내의 공극이나 균열을 충전시켜 줌으로써 용수의 유출을 막거나, 또는 연약 지층을 뭉쳐 굳게 하여 지반의 붕괴를 억제하게 되며, 주입재로는 시멘트액, 모르타르액, 물유리액과 같은 약액 등이 사용된다.

일반적으로 사용되는 지반 보강용 약액주입공법에서는 주요 결합재로 시멘트를 사용하는데 시멘트는 지반의 강알칼리 및 6가 크롬에 의한 환경오염을 유발할 수 있고 수화반응 진행 시 과도한 체적 수축이 발생하는 문제점을 내포하고 있다.

특히 시멘트는 6가 크롬을 함유할 수 밖에 없는데 그 이유는 시멘트 킬른은 온도가 낮은 로의 전단 부분에는 내화 점토질 벽돌이 사용되며, 온도가 높고 클링커의 마찰에 의한 마모와 반용융 상태의 클링커와 화학반응이 이루어지는 후단 부분에는 마그네시아와 크롬이 함유된 마그-크롬질 벽돌이 사용되고 있다. 이 과정에서 이 마그-크롬질 내화벽돌에 함유된 크롬이 클링커가 생성되는 과정 중에 함유되는 것으로 알려지고 있다.

이러한 기존의 시멘트를 그라우팅용 주입재로 사용하는 문제점을 개선하기 위한 몇 가지 기술이 제시되고 있다. 예를 들면, 대한민국 등록특허 제10-0699430호에서는 시멘트를 주재료로 하고 혼화재로 벤토나이트와 분산제 및 지연제를 포함한 그라우트(A액)에 응집제인 황산알루미늄을 첨가해 블리딩의 발생을 줄이는 기술과, 그라우트 (A액)에 벤토나이트와 알루미늄 분말(B액)을 첨가해 알루미늄 분말과 시멘트의 화학작용으로 인한 발포효과를 이용해 팽창성을 부여하는 기술을 제시하였다.

그러나 이 기술에 제시된 벤토나이트 역시 국내에는 부존하지 않는 천연광물로서 전량 수입에 의존하고 있는 고가의 제품이며, 알루미늄 분말은 미립자이며 비중이 가벼운 특성 때문에 취급 중 비산으로 인해 사람이 흡입할 경우 치명적인 손상을 입을 우려가 있어 몰탈 등에 발포제로 사용할 경우에도 방진시설이 구비된 제한된 작업공간에서 취급해야하는 물질이며 비중이 가벼워 물과 혼합한 현탁액 제조 시 벤토나이트와 섞이지 않는 문제점이 발생 할 우려가 있다.

또한 대한민국 등록특허 제 10-0886220호 에서는 주입재(A액)로 포틀랜트 시멘트 또는 포틀랜트 시멘트와 고로슬래그 시멘트의 혼합물로 이루어지고, 급결제(B액)은 규산소다와 산성약액을 혼합하여 사용하는 기술을 제시하였다.

이 기술은 급결제로 사용하는 규산소다의 알칼리를 낮추기 위하여 산성용액을 혼합해 중화시키는 것이 기술의 요지이나, 포틀랜트 시멘트와 고로슬래그 시멘트의 혼합비율이 제시되지 않았으며, 시멘트를 주원료로 한다는 점에서 기존기술과의 차별성은 크지 않다고 판단된다.

또한 대한민국 등록특허 제 10-0834923호에서는 그라우팅 주입재로서 시멘트 모르타르를 사용하며, 모르타르는 물 배합비가 65∼70%이고 슬럼프는 5∼8㎝인 기술을 제시하였다. 일반적으로 시멘트 모르타르는 사용 용도가 미장용, 벽바름용, 방통용 등 그 종류가 다양하며 종류에 따라 그 배합조성이 다양한데 주입재로서 사용하는 모르타르의 조성이 정확히 제시되지 않아 그 기술의 명확성이 부족하다고 할 수 있다.

또한 대한민국 등록특허 제10-0804807호에서는 알루미네이트를 600∼700℃로 열처리하여 분말도가 4,500∼5,500㎠/g이 되도록 분쇄한 급결 성분 35∼65%, 칼슘 설포알루미네이트 분말 15∼30%, 무수석고 5∼15%, 반수석고 5∼15%, 황토분말 5∼15%, 반응조절제 3∼10%, 계면활성제 0.3∼1.0%로 구성된 급결재 조성물(A)과, 시멘트 미분말 50∼70%, 슬래그 미분말 30∼50%로 구성된 마이크로 시멘트 조성물(B)을 주입하는 기술을 제시하였다.

이 기술에서 제시한 마이크로 시멘트는 일반적으로 분말도가 6,000㎠/g 이상인 제품을 의미하며, 상당히 고가이기는 하나 원지반을 교란하지 않고 할열 부분만 주입하는 약액주입공법에서 미세균열을 충진하는 재료로 사용되는 것이 일반적이다. 또한 급결재(A액)의 경우 사용원료가 7종류이므로 실 사용을 위한 제품 제조상 많은 문제점이 있을 것으로 판단된다.

또한, 대한민국 등록특허 제 10-1402877호에서는 고로슬래그 미분말 55∼65중량%와 F급 플라이애시 10∼20중량%와 산화칼슘 함량이 20% 이상인 C급 플라이애시 10∼20 중량%와 탈황석고 2∼5중량% 및 제지슬러지 소각재 10∼20중량%를 혼합한 고로 슬래그를 이용한 친환경 에코 채움재 제조 기술을 제시하였다.

또한, 대한민국 특허 등록 제 2016-1631467호에서는 비표면적이 3,500∼8,000cm²/g인 고로슬래그 미분말 100중량부에 대하여, 칼슘 옥사이드(Calcium oxide) 함량이 50∼80중량%이고 설페이트 옥사이드(Sulfate oxide) 함량이 10∼40중량%이며 비표면적이 2,000∼8,000cm²/g인 페트로 코크스 연소시 발생되는 탈황 부산물 1∼200중량부와, 시멘트 5∼200중량부를 포함하는 결합재를 액상 규산소다와 함께 주입하는 그라우팅 약액 제조 기술을 제시하였다.

이러한 상기 기술 등은 고로슬래그 미분말을 페트로 코크스 연소 시 발생되는 탈황 공정의 부산물로 발생되는 석고에 의한 알칼리 및 황산염 자극으로 활성화시키는 알칼리 활성화 슬래그의 이론을 바탕으로 하고, 고칼슘 소각재를 팽창재로 활용하는 기술내용이다. 즉, 상기 특허들은 알칼리 활성화 슬래그의 강도발현과 고칼슘 소각재의 팽창성을 활용하여 지반을 조기에 안정시키는 기술이라 할 수 있다.

그러나 상기 기술 중 일부는 고가의 약품을 황산염 자극제로 활용하는 등 제조 공정의 복잡성 및 고가의 원재료비 소요 등의 사유로 현재 상업화되지 못하고 있는 형편이다.

대한민국 등록특허 제10-0699430호 대한민국 등록특허 제10-0886220호 대한민국 등록특허 제 10-0834923호 대한민국 등록특허 제10-0804807호 대한민국 등록특허 제10-1402877호 대한민국 특허출원 제 10-1631467호

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 연약지반 보강을 위한 그라우팅 공사에서 가장 널리 사용되는 1종 시멘트를 대체하기 위하여 표면에 수분이 존재하고 강산성이어서 활용성이 미흡한 인산석고에 강알칼리성이며 수분 흡수가 가능한 노내 탈황방식 순환 유동층 보일러에서 배출되는 고칼슘 연소재를 혼합, 분쇄하여 별도의 건조 및 하소 과정 없이 분말형 혼합석고를 제조한 후 이를 고로슬래그 미분말의 알칼리 및 황산염 복합 자극제로서 활용하여 강도 발현이 가능한 연약지반 처리용 지반 고화재의 제조 방법을 제공함에 있다.

위와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 의한 연약지반 처리용 지반 고화재의 제조방법은 1) pH 10 이상이며 표면에 수분이 3% 이하인 혼합석고를 얻는 단계; 및 2) 상기 혼합석고 100중량부에 대하여 고로슬래그 미분말 5∼1,000 중량부를 혼합하는 단계;를 포함하며, 상기 혼합석고는 pH 4 이하이며 표면에 수분이 3∼30% 함유된 인산석고 100중량부에 대하여, pH 11.5 이상이며 CaO 성분이 30∼75중량%, SO₃ 성분이 7∼35중량% 함유된 노내 탈황방식 순환 유동층 보일러 연소재 5∼1,000중량부를 혼합하고 분쇄하여 얻어지는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 노내 탈황방식 순환 유동층 보일러 연소재는 석유 코크스 또는 석탄을 단독 또는 혼소하는 과정에서 발생되는 석유 코크스 플라이애시, 석유 코크스 바텀애시, 석탄 플라이애시 및 석탄 바텀애시 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 것이 바람직하다.

또한 상기 2)단계는, 상기 혼합석고 100중량부에 대하여, 1종 시멘트를 5∼500중량부 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한 상기 2)단계는, 상기 혼합석고 100중량부에 대하여, 화력발전소에서 배출되는 미분탄 보일러 플라이애시를 5∼500 중량부 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한 상기 2)단계는, 상기 혼합석고 100중량부에 대하여, 고형연료 연소재를 5∼500 중량부 더 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 활용이 미흡한 순환자원을 대량 활용할 수 있고 연약지반 그라우팅 공사에서 가장 널리 사용되는 1종 시멘트를 대체할 수 있는 효과가 있다.

즉, 표면에 수분이 존재하고 강산성이어서 활용성이 미흡한 인산석고에 강알칼리성이며 수분 흡수가 가능한 노내 탈황방식 순환 유동층 보일러에서 배출되는 고칼슘 연소재를 혼합, 분쇄하여 별도의 건조 및 하소 과정 없이 분말형 혼합석고를 제조한 후 이를 고로슬래그 미분말의 알칼리 및 황산염 복합 자극제로서 활용하여 강도 발현이 가능한 연약지반 처리용 지반 고화재를 제조할 수 있다.

또한 미분탄 보일로 플라이애시를 함유함으로써 강도가 향상된다.

또한 고형연료 연소재를 함유함으로써 초기에 경화체를 급결시키는 효과가 있다.

이하, 본 발명에 의한 연약지반 처리용 지반 고화재의 제조 방법에 대하여 구체적으로 설명한다.

본 발명에 의한 연약지반 처리용 지반 고화재의 제조 방법은 1) pH 4 이하이며 표면에 수분이 3∼30% 함유된 인산석고 100중량부에 대하여, pH 11.5 이상이며 CaO 성분이 30∼75중량%, SO₃ 성분이 7∼35중량% 함유된 노내 탈황방식 순환 유동층 보일러 연소재 5∼1,000중량부를 혼합, 분쇄하여 pH 10 이상이며 표면에 수분이 3% 이하인 혼합석고를 얻는 단계 ; 2) 상기 혼합석고 100중량부에 대하여 고로슬래그 미분말 5∼1,000 중량부를 혼합하는 단계를 포함한다.

인산석고는 황산과 인광석이 반응물질로서 사용되며, 인산 제조시에는 부산물로 인산 생산량의 약 5배의 인산석고(CaSO₄·2H₂O)가 발생하며 pH 4 이하의 강산성이며 습식공정에서 배출되기 때문에 표면에 다량의 수분을 함유하고 있다. 이를 중화, 건조 또는 소성을 하면 과도한 비용 및 에너지가 필요하게 된다.

한편, 석유 코크스 또는 석탄을 주연료로 하는 순환 유동층 보일러에서 석회석과 혼소하여 로내 탈황하는 방식의 보일러에서 발생되는 연소재는 연소가스 중의 인산화황과 석회석이 로내에서 반응하여 연소가스 중의 황은 제거되고 무수석고가 생성되며, 황과 반응하지 않은 석회석은 탈탄산되어 생석회 성분으로 전이되어 배출된다.

따라서, pH가 12.0 이상의 강알칼리 물질이며 생석회와 무수석고 성분으로 다량 존재하게 된다. 이 물질이 인산석고와 혼합하게 되면 인산석고에 표면에 존재하는 수분을 급속히 흡수할 수 있을 뿐만 아니라 강산성과 강알칼리 물질이 반응하게 되어 중화반응이 일어나게 된다. 또한, 인산석고에는 수용성 P₂O₅ 성분이 존재하여 고로슬래그 미분말의 수화반응을 저해할 수 있으나 순환 유동층 보일러 연소재 성분 중 CaO 성분이 수용성 P₂O₅ 성분과 반응하여 난불용성의 인산3석회(Ca₃(PO₄)₂로 전환되어 강도 저하를 막을 수 있다.

상기 인산석고와 순환 유동층 보일러 연소재가 혼합하여 반응을 하면 응집에 의해 큰 덩어리가 발생할 수 있어, 이를 미립자 형태로 분쇄하는 과정이 필요하다.

상기 노내 탈황방식 순환 유동층 보일러 연소재는 CaO 함량이 30∼75중량%이 바람직하다. 30중량% 미만이면 인산석고 표면에 존재하는 수분을 흡수하는 성질이 미약하고 중화 효과 또한 저하된다. 반대로 CaO 함량이 75중량% 초과이면 CaO 함량이 과도하여 수분을 과도하게 흡수하고 발열이 과도하게 발생하여 과도한 수증기를 발생시킬 수 있다. 따라서 순환 유동층 보일러 연소재 중에서 반드시 원료 입고 전 화학적 정량 분석을 실시하여 CaO 함량이 30∼75중량%인 것을 사용해야 한다. 또한 상기 노내 탈황방식 순환 유동층 보일러 연소재는 SO₃ 함량이 7∼35중량%이 바람직하다. 7중량% 미만이면 고로슬래그를 자극할 수 있는 SO₃ 함량이 부족하여 강도발현이 어렵고, 35%를 초과하면 상대적으로 CaO 성분이 감소하여 인산석고 표면 수분 흡수 효과가 저하될 수 있다. 화학조성물을 분석하여 상기 범위 내에 순환 유동층 보일러 연소재를 사용하는 것이 바람직하다.

상기 노내 탈황방식 순환 유동층 보일러 연소재는 인산석고 100중량부에 대하여, 5∼1,000중량부 혼합되는 것이 바람직한데, 5중량부 미만일 경우 수분 제거 및 중화 효과가 발휘되지 못하고 1,000중량부 초과일 경우 상대적으로 인산석고의 함량이 줄어들어 전체적인 혼합석고에서 SO₃ 성분이 크게 저하하게 되어 고로슬래그 미분말의 황산염 자극제로서 역할이 부족할 수 있다.

상기 고로슬래그 미분말은 제철 고로 공정에서 부산물로 발생하는 고온 용융상태의 슬래그를 물로 급냉 처리한 부산물이다. 고로슬래그 미분말은 물과 접촉하면 비결정질 피막이 형성되어 스스로 수화반응을 하지 않기 때문에 잠재수경성 물질이라 한다. 잠재수경성이 발휘되기 위해서는 비결정질 피막이 파괴되어야 한다. 고로슬래그 미분말은 비표면적 3,000cm²/g 이상의 일반적으로 시중에서 유통되는 제품이면 사용이 가능하다. 통상의 고로슬래그 미분말에 물을 투입하게 되면, 표면에 비결정질 피막이 형성되어, 내부의 Ca² ⁺, Al³ ⁺ 등의 용출이 이루어지지 않는다. 그러나, 혼합석고 성분 중 CaO 성분이 물과 반응하여 Ca(OH)₂로 변환되어 생성된 OH^-와 SO₄ ^2-성분이 고로슬래그 미분말의 비결정질 피막을 파괴하여 Ca² ⁺, Al³ ⁺ 등의 용출이 용이하게 되고, 용출 이온들이 CaO-SiO₂-H₂O계 수화물 및 에트링가이트 등을 생성하게 됨으로써 수화체 내부의 조직을 치밀화하여 경화체의 압축강도를 향상시킬 수 있다. 상기 고로슬래그 미분말은 상기 혼합석고 100중량부에 대하여 5∼1,000 중량부를 혼합하는 것이 바람직한데 5중량부 미만일 경우 그 효과가 발휘되지 못하고 1,000중량부 초과일 경우 상대적으로 자극제 역할을 하는 혼합석고의 양이 상대적으로 감소하여 오히려 강도가 크게 저하된다.

또한, 상기 노내 탈황방식 순환 유동층 보일러 연소재는 석유 코크스 또는 석탄을 석회석과 혼소하는 과정에서 발생되는 석유 코크스 플라이애시, 석유 코크스 바텀애시, 석탄 플라이애시 및 석탄 바텀애시 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 것이 바람직하다.

특히, 상기 석탄 바텀애시는 석탄을 주연료로 하는 순환 유동층 보일러에서 석회석과 혼소하여 로내 탈황하는 방식의 보일러 하부에서 발생한다. 순환 유동층 보일러의 탈황공정은 연소실 내에 석회석을 주입하여 연료와 함께 연소시켜 연소가스 중의 인산화황과 석회석이 로내에서 반응하여 연소가스 중의 황은 제거되고 무수석고가 생성되며, 황과 반응하지 않은 석회석은 탈탄산되어 생석회 성분으로 전이되어 배출된다. 특히, 순환 유동층 보일러 바텀애시는 약 850℃의 온도에서 연소되어 유리질 성분이 없기 때문에 포졸란 반응을 일으킬 수는 없지만 상부에서 집진되는 석탄 플라이애시에 비해 CaO 및 CaSO₄ 성분이 더 높게 함유되어 있으며 고로수쇄 슬래그 미분말의 자극제로서 더 탁월한 조성을 가지고 있다고 할 수 있다. 따라서, pH가 11.5 이상의 강알칼리 물질이며 고로슬래그 미분말과 같이 활용될 경우 자극제로서 역할을 수행할 수 있는 성질을 가지고 있다.

또한, 초기강도 증진을 위해 상기 혼합석고 100중량부에 대하여 1종 시멘트를 5∼500중량부 더 포함하는 것이 바람직하다. 상기 1종 시멘트는 상기 혼합석고 100중량부에 대하여 5∼500중량부 혼합되는 것이 바람직한데, 5중량부 미만일 경우 그 효과가 발휘되지 못하고 500중량부 초과일 경우 상대적으로 혼합석고의 혼입량이 감소하여 고로슬래그 미분말의 자극 효과가 저하되고 경제성 또한 부족하다.

또한, 상기 혼합석고 100중량부에 대하여 유동성과 장기강도를 증진시키기 위하여 화력발전소에서 배출되는 미분탄 보일러 플라이애시 5∼500중량를 더 포함할 수 있다.

상기 미분탄 보일러 플라이애시는 별도의 탈황설비를 구비하고 있는 화력발전소에서 미분탄 연소보일러의 연소가스가 집진장치를 통과할 때 채취된 회로서, 일반적으로 SiO₂ 함량이 45∼75중량%이고 CaO 함량이 0.5∼10중량%이며 SO₃ 함량이 0.1∼3중량%이다. 상기 화력발전소 미분탄 보일러 플라이애시는 1종 시멘트에 일부 치환하여 사용되고 있는데 화력발전소 미분탄 보일러 플라이애시는 입자가 구형이기 때문에 유동성이 증가하고 포졸란 반응성이 있어서 장기재령에서 강도는 증가하나 초기 재령에서는 그것 자체로 경화하는 성질이 미약하다. 즉, 1종 시멘트와 혼합한 경우 시멘트의 수화생성물인 수산화칼슘이 생성된 이후에, 이것에 의해 화력발전소 미분탄 보일러 플라이애시가 자극을 받아 경화하는 특징이 있다.

본 발명에서는 순환 유동층 보일러 연소재의 CaO 성분이 물과 반응하여 생성된 Ca(OH)₂의 자극효과에 의해 미분탄 보일러 플라이애시의 포졸란 반응이 초기에 활성화된다. 상기 미분탄 보일러 플라이애시는 상기 혼합석고 100중량부에 대하여 5∼500중량부 혼합되는 것이 바람직한데, 5중량부 미만일 경우 그 효과가 발휘되지 못하고 500중량부 초과일 경우 포졸란 반응을 하지 못한 잉여량의 미분탄 보일러 플라이애시가 다량 존재하여 강도가 크게 저하된다.

또한, 상기 혼합석고 100중량부에 대하여 고형연료 연소재를 5∼500 중량부 더 포함하는 것이 바람직하다. 고형연료 연소재는 일반 고형연료(SRF, Solid Refuse Fuel), 바이오 고형연료(BIO-SRF, Biomass-Solid Refuse Fuel)를 단독 연소하거나 이를 석탄과 혼소하는 발전시설의 집진설비에서 배출된다. 고형연료 연소재는 그 자체로는 포졸란 반응을 기대할 수는 없으나 CaO, SO₃의 성분을 가지고 있고 고로슬래그 미분말의 자극효과와 더불어 폐플라스틱이나 폐비닐이 함유되었을 경우 나트륨과 염소 성분을 일부 가지고 있어 초기에 경화체를 급결시킬 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.

더욱이 팜껍질과 같은 청정 바이오 고형연료(BIO-SRF, Biomass-Solid Refuse Fuel)를 단독 연소하였을 경우에는 자체에 유해 불순물이 전혀 없어 시멘트를 대체할 수 있는 청정 원료로서 활용이 기대된다. 고형연료 연소재는 혹시나 잔존할 수 있는 인산석고의 수분을 효과적으로 제거할 수 있으며 고함수 상태의 지반에서 급속히 수분을 흡착하며 팽창성이 있어 수분 증발에 따른 경화체의 체적 수축을 보상하는 역할을 할 수 있다. 상기 고형연료 연소재는 상기 혼합석고 100중량부에 대하여 5∼500중량부 혼합되는 것이 바람직한데, 5중량부 미만일 경우 그 효과가 발휘되지 못하고 500중량부 초과일 경우 강도를 크게 저하시키며 수분을 과도하게 흡수하여 유동성이 크게 저하될 수 있다.

이하에서 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예들이 기술되어질 것이다. 또한 이하의 실시예들은 본 발명을 예증하기 위한 것으로서 본 발명의 범위를 국한하는 것으로 이해되어져서는 아니된다.

비교예

천연토사 100중량부에 대하여 1종 시멘트 30중량부를 투입한 후 건식혼합을 실시하였다. 이후 30중량부의 물을 추가 투입하여 다시 습식혼합을 실시하여 균질한 혼합물을 제조한 후 Ø5cm×10cm 크기의 공시체 9개를 제작하여 이를 20℃에서 양생하여 재령 3일, 7일, 28일 강도를 측정하였다.

실시예 1

pH 2.2이며 표면 함수율이 12.7%인 인산석고 100중량부에 대하여 pH 12.4인 석유 코크스 연소재 100중량부를 혼합, 분쇄하여 비표면적 3,650cm²/g, pH 11.8인 혼합석고 100중량부를 제조하였다. 이를 비표면적이 4,360cm²/g인 고로 슬래그 미분말 200중량부와 혼합하여 지반 고화재를 제조하였다. 이렇게 제조된 지반 고화재를 천연토사 100중량부에 대하여 30중량부를 투입한 후 건식혼합을 실시하였다. 이후 30중량부의 물을 추가 투입하여 다시 습식혼합을 실시하여 균질한 혼합물을 제조한 후 Ø5cm×10cm 크기의 공시체 9개를 제작하여 이를 20℃에서 양생하여 재령 3일, 7일, 28일 강도를 측정하였다.

실시예 2

pH 2.2이며 표면 함수율이 12.7%인 인산석고 100중량부에 대하여 pH 12.4인 순환 유동층 보일러 바텀애시 200중량부를 혼합/분쇄하여 비표면적 3,350cm²/g, pH 12.2인 혼합석고 100중량부를 제조하였다. 이를 비표면적이 4,360cm²/g인 고로슬래그 미분말 200중량부, 1종 시멘트 100중량부, 미분탄 보일러 플라이애시 30중량부, 고형연료 연소재 30중량부와 혼합하여 지반 고화재를 제조하였다. 이렇게 제조된 지반 고화재를 천연토사 100중량부에 대하여 30중량부를 투입한 후 건식혼합을 실시하였다. 이후 30중량부의 물을 추가 투입하여 다시 습식혼합을 실시하여 균질한 혼합물을 제조한 후 Ø10cm×20cm 크기의 공시체 9개를 제작하여 이를 20℃에서 양생하여 재령 3일, 7일, 28일 강도를 측정하였다.

공시체의 시험방법 및 결과

아래 표 1에 나타낸 바와 같이 압축강도시험은 KS F 2343 일축압축강도 시험방법에 의해 실시하였다. 중금속 용출시험은 28일 압축강도 측정 후 일부를 채취하여 실시하였다.

실험	방법	비고
압축강도	KS F 2343	일축압축강도시험방법
중금속 용출	폐기물공정시험기준	중금속 용출시험방법

구분	압축강도 3일 (MPa)	압축강도 7일 (MPa)	압축강도 28일 (MPa)
비교예	0.72	1.56	2.87
실시예1	0.78	2.64	4.56
실시예2	1.64	2.78	4.77

(1) 일축압축강도의 변화

표 1에 비교예 및 실시예 1, 실시예 2의 일축압축강도를 나타내었다. 이를 통해 알 수 있는 바와 같이, 인산석고, 순환 유동층 보일러 연소재 및 고로슬래그 미분말을 사용한 실시예 1은 1종 시멘트를 사용한 비교예 1에 비해 3일 초기강도는 유사하였으나 7일 및 28일은 1.5배 이상의 높은 강도를 발현하였으며, 실시예 1에 비해 1종 시멘트, 미분탄 보일러 플라이애시 및 고형 연료 연소재가 더 포함된 실시예 2는 초기 강도 및 장기 강도가 더 높게 발현됨을 확인할 수 있다. 따라서, 본 발명의 연약지반 처리용 지반 고화재의 제조 방법은 기존 연약지반 처리시 주로 사용되는 1종 시멘트를 대체할 수 있는 성능 발휘가 가능함을 알 수 있었다.

(2) 중금속 용출 실험

	KSLT
	6가크롬	구리	수은	카드뮴	납	비소
허용기준	1.5	3.0	0.005	0.3	3.0	1.5
비교예 1	0.843	0.247	불검출	0.159	0.245	0.133
실시예 1	불검출	불검출	불검출	불검출	불검출	불검출
실시예 2	불검출	불검출	불검출	불검출	불검출	불검출

상기 표 3의 중금속 용출실험결과를 보면 비교예의 경우 허용기준치에는 만족하는 것으로 나타나지만 6가 크롬의 경우 기준치의 50%를 상회하는 양이 용출되었다. 그러나 본 발명의 실시예는 모두 6가 크롬 뿐만 아니라 모든 중금속이 불검출되었다.

따라서 본 발명의 연약지반 처리용 지반 고화재의 제조 방법은 대부분 매립에 의존하고 있는 인산석고 및 순환 유동층 보일러 연소재를 고로슬래그 미분말의 자극제로 활용하여 강도를 발현시킴으로써 건설공사에서 가장 널리 사용되는 1종 시멘트를 대체하거나 그 사용량을 최소화할 수 있다. 또한 시멘트 사용량 절감에 따른 생산원가 절감은 물론 천연자원 및 에너지 고갈 문제와 이산화탄소 배출, 유해 중금속 용출에 의한 환경오염 문제를 동시에 해결할 수 있는 방법이다.

Claims

1) pH 10 이상이며 표면에 수분이 3% 이하인 혼합석고를 얻는 단계; 및
2) 상기 혼합석고 100중량부에 대하여, 고로슬래그 미분말 5∼1,000 중량부와, 화력발전소에서 배출되는 미분탄 보일러 플라이애시 5∼500 중량부와, 1종 시멘트 5∼500중량부와, 고형연료 연소재 5∼500 중량부를 혼합하는 단계;를 포함하며,
상기 혼합석고는 pH 4 이하이며 표면에 수분이 3∼30% 함유된 인산석고 100중량부에 대하여, pH 11.5 이상이며 CaO 성분이 30∼75중량%, SO₃ 성분이 7∼35중량% 함유된 노내 탈황방식 순환 유동층 보일러 연소재 5∼1,000중량부를 혼합하고 분쇄하여 얻어지고,
상기 노내 탈황방식 순환 유동층 보일러 연소재는 석탄 바텀애시이고,
상기 고형연료 연소재는 일반 고형연료(SRF, Solid Refuse Fuel), 바이오 고형연료(BIO-SRF, Biomass-Solid Refuse Fuel)를 단독 연소하거나 이를 석탄과 혼소하는 발전시설의 집진설비에서 배출되는 것을 특징으로 하는 연약지반 처리용 지반 고화재의 제조방법.

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